Z80 Kartı

[hades]

Uzun zamandır uğraştığım bir Z80 hardware projesi vardı. En basit ifadeyle C64'ün donanımı I/O bölgesi olarak kullanan ve kendi Romuna ve Ramina sahip bir Z80 kartı.
Böyle bir proje nereden aklıma geldi?
Tarihsel açıdan bakarsak ilk bilgisayarım 48K bir Spectrum'du. Yıl 1985. İlk sene oyunlar, basic prg. derken Elo Elektronik sayesinde Z80 makina dili öğrendim. 1987 gibi Spectrum bozulunca C64'e ve 6510 makina diline başladım. 22 senelik beraberlikten sonra 2009'da Z80'e dönüş yaptım ve ufak tefek birşeyler kodladım. Konunun software kısmı böyle.
VIC'in yeteneklerini gördüğüm için acaba Spectruma VIC takılsa ne olurdu diye merak ettim. Daha doğrusu Z80 + VIC + SID gibi bir sistem olsa nasıl olur diye düşünmeye başladım. Projenin doğuşu böyle başladı.
İlk tasarımlar Z80 + ROM + RAM + VIC + SID şeklindeydi ama çizim aşamasına geçince gittikçe karışık bir hale geliyordu. Sonra bir gün işten gelirken "Olm elinde hazır çalışan bir donanım var. Yapman gereken C64'e expansion porttan takılan bir Z80 devresi dedim kendi kendime."
Bu noktadan sonra işler basitleşti. Ama projeyi kaç kez revize ettim ben bile bilmiyorum. Önceleri Exp. porta takılacak biçimde çizime başladım. Sonradan C64'e MMC, RR gibi kartuşları tak çıkar olmasın diye devrede değişiklik yaptım.
Bir başka çözüm ise 6510'u sökerek yerine Z80 kartını takmak oldu. Fakat çizdikçe kartın boyutları büyümeye başladı ve  böyle olmaz dedim.
Sonunda Z80 kartı, hem dışarıda olacak hem de exp. portu boş bırakacak şekilde yeniden çizdim. 6510 yerine bir pcb takarak tüm bağlantıları standart ide kablosuyla Z80 kartı üzerine taşıdım. Dolayısıyla kart üzerinde hem Z80 hem 6510 var.
Gelelim teknik özelliklere. Kartın ölçüleri maalesef hayvani değerlerde (25x13 cm). Kullandığım malzemelerin hepsi DIP kılıf olduğu için kart büyük oldu.

Memory map :
0000 - 1FFF : 8K eprom (4*8K bank halinde 32K'lık 27C256 eprom)
Aynı adreslerde 8K Ram 6264. Rom seçiliyken Ram'a yazma yapılabilir özellik var. Gerekirse aynı adreslerde 4*8K bank 27C256 external eprom bağlanabilen ve geliştirme aşamasında kullanacağım Pic'li bir devre için gerekli bağlantıların olduğu bir slot var. Yazılım ile ROM/RAM ve Internal / External ROM select yapılabilir.

2000 - 3FFF : 8K Ram 6264
4000 - 7FFF : 2*16K bank şeklinde 32K'lık 62256 Ram.
8000 - FFFF : 32K Ram 62256 (İstenirse bir jumper ile 16*32K bank şeklinde 512K'lık 628512 Ram takılabilir.)

I/O olarak ise 0000 - 0003 adreslerinde tüm memory config ve diğer işlemlerden sorumlu bir 82C55 var. Ancak bu adresleri kullanmak için C64'ün devrede olmasına gerek yok. 0004 - FFFF arası IO adresleri C64 tarafında.
82C55 adresleri
0000 : PORT_A
0001 : PORT_B
0002 : PORT_C
0003 : 82C55 Kontrol registeri
 
82C55 üzerinden erişilebilen MSM62X42B RTC çipi ve SD kart slotu var.

82C55 Port bağlantıları:

PORT_A bağlantıları:
PA0 : ROMENB --- "0" : Ram seçili, "1" : Rom seçili

PA1 : ROMA13 --- İnternal / External Romlar için A13 hattı.
PA2 : ROMA14 --- İnternal / External Romlar için A14 hattı.
ROMA13 ve ROMA14 Romlar için bank seçme amacıyla kullanılacak olup bit değerleri terstir. Mesela 3. Bank için 1-1 yerine 0-0 kullanılmalıdır.

PA3 : RAMA14 --- 4000-7FFF  arasındaki Ram için bank seçici. "0" Bank 0, "1" Bank 1

PA4 : RAMA15
PA5 : RAMA16
PA6 : RAMA17
PA7 : RAMA18

Son 4 bit 32K'dan büyük Ram kullanılması durumunda bank seçimi için kullanılacaktır. Eğer 8000-FFFF arasında 62256 varsa bu bitlerin bir işlevi yoktur.

PORT_B bağlantıları:
PB0 : LORAM --- C64'teki LORAM sinyalinin görevini üstleniyor.
PB1 : HIRAM --- C64'teki HIRAM sinyalinin görevini üstleniyor.
PB2 : CHAREN --- C64'teki CHAREN sinyalinin görevini üstleniyor.
Sinyaller bir entegre üzerinden anahtarlanıyor ama bu iki sinyali doğrudan "0" mı yapsam yoksa 82C55 üzerinden mi kontrol etsem karar veremedim.

PB3 : C64_CNT --- 6510'u disable / enable ediyor. Z80 kartına enerji verilince 6510 otomatik olarak disable oluyor. "1" 6510 Disable, "0" 6510 Enable. Yazılımla 6510'u enable edince C64'ün resetlenmesi gerekebilir ki bunun için Z80 kartına C64 reset buton koydum.
Ancak bir kararsızlıkta burada var. Eğer 6510 enable olduğunda tekrar disable etmek için Z80 reset butonuna basmak gerekiyor. Z80 Reset butonu hem Z80'i hemde C64'teki çipleri resetliyor. C64 reset butonu ise sadece C64'ü resetliyor.
Acaba 6510 enable/disable işini bir anahtar ile mi yapsam kararsızım.

PB4 : A0, Din --- RTC için A0 hattı, SD Card için Din (Data İnput) hattı.
PB5 : A1, CLK --- RTC için A1 hattı, SD Card için Clock hattı
PB6 : A2 --- RTC için A2 hattı
PB7 : A3 --- RTC için A3 hattı.

PORT_C bağlantıları:
PC0 : D0, Dout --- RTC için D0 hattı, SD Card için Dout (Data Out) hattı.
PC1 : D1 --- RTC için D1 hattı
PC2 : D2 --- RTC için D2 hattı
PC3 : D3 --- RTC için D3 hattı

PC4 : RTC R/W --- RTC iiçin /RD ve /WR seçimi.
PC5 : RTC /CS --- RTC için Chip Select işareti
PC6 : SD /CS --- SD Card için Chip Select işareti
PC7 : EXROMEN --- External Rom/İnternal Rom select. "1" ise External Rom Enable, "0" ise Internal Rom Enable dir. Eğer External rom slotundaki /EXROM bağlantısı "0" yapılmış ise Z80 kartına enerji verildiğinde otomatik olarak External Rom devreye girer.

Şimdi gelelim External Rom slotuna.
Bu slotta başka işaretlerde var ve bunlar kart için yazılım geliştirme sırasında kullanmayı planladım. Bu slota üzerinde bir Pic bulunan kart takılacak. (Hem Pic kartı, hem de 6510 için kalolu taşıyıcı kart, Z80 kartna eklidir) Pic'li kart ile gerekirse Pic'e yüklenmiş max 2K'lık bir Bios 0000'dan başlayan Ram'a aktarılabilir ve aktarma sonrasında Z80 resetlenerek sistemin çalışması sağlanbilir.
Benim ilk amacım ise, Z80 gerekli olan kodları C64'te oluşturup Pic'in içindeki program yardımıyla Z80 sistem Ram'ine aktarmak.
Daha açık şekilde şöyle yazayım. Pic'in içinde aşağıdaki Z80 kodu olacak ve bunu ilk olarak 0000'daki Ram'e aktaracağız. Dolayısıyla ilk zamanlarda Rom'a gerek yok. Hatta 2000 sonrası Ram'lerede gerek yok.

Kod: [Seç]

di
ld hl,loader
ld de,$1000
ld bc,loaderend-loader
ldir
jp $1000

loader ld bc,$c000
ld de,$0000
ld hl,$1000
transfer in a,(c)
ld (de),a
inc bc
inc de
dec hl
ld a,h
or l
jr nz,transfer

;82c55 ayarları
ld bc,3
ld a,$80 ;Bütün portlar çıkış
out (c),a ;Kontrol Port'u
dec c
ld a,%11110000
out (c),a ;Port C
dec c
ld a,%00001100
out (c),a ;Port B
dec c
ld a,%00000111
out (c),a
rst 0

Pic'ten Ram'a kodu attıktan sonra Pic tarafından /BUSREQ serbest bırakılıp Z80'e (ve C64'e) Reset sinyali gönderilecek ve Z80 çalışmaya başlayacak. 0000'daki kod Loader rutinini $1000'e transfer edecek ve loader rutini çalışacak. Loader rutini ise daha önce C64'te C000'dan itibaren hazır olan Z80 kodlarını alarak 0000'a yüklemeye başlayacak. Max. 4K'lık bir kod yüklendikten sonra RST 0 ile deneme OS kodları çalışmaya başlayacak. C64'te Z80 kodları için C000-D000 arasını kullanacağım.
Z80 kodlarını byte-byte hafızaya girmek gerekecek. Veya deneme kodlarını pc üzerinde derleyip, C64 prg dosyası olarak SD karta kaydettikten sonra, MMC64 ile C64'te C000'a yüklenecek. Sonrasında PIC ve Z80 devreye girecek.
Bu devre ile 1541'i C64 üzerinden kullanabileceğiz. Ama SD Card varken Floopy ile kimse ilgilenmez
OS ve SD Card için kod kasacak coderler lazım olacak.

Z80 4MHz'de çalışıyor ama C64 daha doğrusu 6510 yaklaşık 1MHz. Bizim işimiz VIC ile. Çünkü C64'ün bus kontrol işareti VIC tarafından üretiliyor. Dolayısıyla Z80 I/O işlemleri için VIC tarafından üretilen AEC işaretini beklemek zorunda. Eğer kodumuzda I/O komutları varsa bu işareti kontrol ediyoruz, eğer AEC"1" ise C64'e I/O yapabiliyoruz. Değilse Z80'e /WAIT işareti gönderiyoruz. Acaba VIC'in çalışma frekansı yükseltilebilir mi araştırmak lazım.
Kağıt üzerinde herşey güzel gözüküyor.
Aklıma gelenler şimdilik bu kadar.

HA(rdware)DES(igner)

[witchdoktor]

Hades, hevesini kırmak istemem hatta bu işi başarıp C64 custom çiplerini Z80 ile sürerek CPU+çipset avantajlarını bir araya getirmeni çok isterim ama bu konudaki en önemli sorun VIC-II çipi ki Commodore tasarımcıları dahi bu sorunu ideal şekillerde çözemediler (kimbilir belki projeye yeterince zaman ve kaynak aktarılsa başarabilirlerdi).

* VIC-II çipinin 'bus-mastering' ve DRAM tazeleme yeteneği bu sistemin darboğazını oluşturuyor. 1MHz'lik bir sistemde VIC-II çipi özel durumlar dışında CPU ile senkronize çalışıyor ama 2MHz'de bu senkroni bozuluyor.

* C128'de VIC-II çipini 2MHz'de çalıştırmayı başaramadılar (ama alt ve üst border satırlarında sistem 2MHz'ye çıkarılarak performans artışı sağlanabiliyor). 2MHz'de çalışan bir VIC-II çipi hiçbir zaman üretilmedi.

* C128'deki Z80 bile VIC-II çipine doğrudan ulaşamıyor (arada 8502'yi devreye sokan 'glue' rutinler var, işleri bitince kontrolü tekrar Z80'e devrediyorlar. Bu nedenle CP/M, 80 kolonda daha hızlı çalışıyor çünkü 8563 çipinin bağımsız çalışan 16K/64K'lık bir framebuffer'ı mevcut).

* C128'deki Z80A bile yarı hızda (2MHz) çalıştırılmak zorunda kalınmış.

* C64 için geliştirilen Z80/CPM kartı C64C'ler dahil birçok C64 revizyonunda çalışmıyor.

Sonuçta Z80'i VIC-II ile doğrudan kullanamayacağın için aradaki 'glue logic', performans artışından ziyade kaybı ile sonuçlanacak gibi. Ama bu şekilde bile çalışan bir sistemi kurcalamak keyifli olurdu

Senin projene C128'deki VDC-8563 çipi daha uygun gibi (ama sprite'lar ve diğer trick'leri unutman gerek!).

[Alco]

Tarihsel açıdan bakarsak ilk bilgisayarım 48K bir Spectrum'du. Yıl 1985. İlk sene oyunlar, basic prg. derken Elo Elektronik sayesinde Z80 makina dili öğrendim. 1987 gibi Spectrum bozulunca C64'e ve 6510 makina diline başladım. 22 senelik beraberlikten sonra 2009'da Z80'e dönüş yaptım ve ufak tefek birşeyler kodladım.

Ve şimdi de her ikisisini birden idare ediyorsun. Daha önce de dediğim gibi; sanki şöyle desek daha güzel olacak:

İlk gözağrısı Z80 ile ilişkisine son verdikten sonra, fırtınalı bir birliktelik yaşadığı 6510 ile ilişkisine de ani bir kararla son verip tekrar ilk gözağrısına dönmüştü. Sanırım şimdi de ikisini bir idare etmeye çalışıyor.

Latife bir yana; toplantıda bize gösterdiğin şematiklerden, mahsuru olmayanları da buraya koysan iyi olur.

Bence "kart büyük oldu, tüm ICler DIP" meselesine çok da kafa yormamak lazım. Sen çalışan bir prototip oluşturduktan sonra kartı küçültmeye bakılır. Bu kadar sorun varken bir de ona kafa yorma. Bak sorunları ele alma meselesinde Descartes(Discours de la méthode) ne demiş:

"diviser chacune des difficultés que j’examinerais en autant de parcelles qu’il se pourrait, et qu’il serait requis pour les mieux résoudre."

"İnceleyeceğim güçlüklerden her birini olabildiğince parçalara ayırmak ve onları en iyi çözümlenebilecek duruma getirmek."

[Ref]

Birsürü olumsuzluğa, aslında z80'in büyük bir avantaj sağlamayacak olmasına, hatta c128'de bir z80 bulunmasına karşın yine de fantastik bir proje.

Donanımdan bu kadar anlamadığım için bir yorumda bulunamıyorum, bittiğinde üzerine z80 ile birşeyler yazarım diyorum

[hades]

İşte şemalar. Şemaları hep kağıtlara çizerim. Retrocu dediğin zaten öncelikle kalem-kağıt kullanır. Düzeltmesi, eklemesi vs. daha kolay oluyor.
Programda eğer bir IN / OUT komutu varsa Z80'in /IORQ hattı sıfır oluyor ve AEC ve Faz2 sistem saati kontrolu yapılıyor ve yol açıksa Adres ve Data Bus hattlarındaki bufferlar aktif ediliyor. Yani Z80 ile C64 arasındaki bağlantı aslında çok basit. Devrenin karışıklığı Z80'e ait olan rom/ram/clock/adres decoder vs.. kaynaklanıyor.

[witchdoktor]

C64 için yapılan Z80-CP/M kartı şematiklerine de bir göz at istersen. Ben de donanımdan pek anlamam ama Z80 ile VIC-II'yi doğrudan çalıştırabileceğinden emin değilim. Ama expansion port'a yerleştirilen bir karttaki Z80 ile C64'deki 6510'un bir protokol dahilinde haberleşmesini sağlayabilirsin. Z80'li kart da Amiga'daki PPC kartları gibi bir işlev görür. Z80'in gönderdiği komutlar da 6510 tarafından gerçekleştirilir.

[wizofwor]

Madem öyle ben de VIC-II ve Z80 hakkında kulaktan dolma bilgilerimi ve aklıma gelenleri sıralayayım. Saçmalarsam kusuruma bakmayın. Amaç beyin fırtınasına katkıda bulunmak.

Bildiğim kadarıyla VIC-II ve 6510 arasında karşılıklı saygı ve sevgi çerçevesinde yürüyen özel bir ilişki var. Yaklaşık 1MHz'lik clock cycle'ın  ilk yarısında 6510, ikinci yarısında VIC-II çalışıyor. Bu şekilde iki chip aynı anda çalışıyorlar(mış) gibi oluyor. Aynı şey Z80'le mümkün değil. Çünkü Z80 clock cycle'ın hepsini kullanıyor. Bu yüzden C128'deki Z80 2Mhz hızında. (VIC okuma yaparken Z80 bekliyor.)

Aklıma gelen dahiyane fikir: VIC'in kendine ait bir veri yolu olsa, kimse kimseyi beklemek zorunda kalmazdı.

Yine bildiğim kadarıyla VIC'in ve C64'ün hızını belirleyen Video standartları. Şöyle ki:
    1) Pal color subcarrier frekansı 3.58 Mhz olduğu için color clock 3.58 Mhz.
    2) Pal tazeleme hızı 50.125 Hz
        Pal çözünürlüğü: 504*312 (borderlar dahil)
        Ekran her tazelendiğinde bütün piksellerin tekrar yazılması için pixcel clock
        50.125 x 504 x 312 = 7.88 Mhz.
    3) 6510 bir cycle'da bir byte veri işleyebiliyor. Bu VIC-II için ekranda gösterilecek 8 piksel demek. O zaman VIC-II'nin 6510'a yetişebilmesi için 8 kat hızlı çalışması gerekli. Bu yüzden system clock = 7.88/8 = 0.986 Mhz.

Buradan yola çıkarak arada bir buffer olsa idi, system clock daha hızlı olabilirdi. En azından Atari'deki gibi 2Mhz olabilirdi.

Aklıma gelen dahiyane fikir no:2 Acaba hadesin kartındaki Z80 VIC'in baktığı 16k'lı banka değil de başka bir yere yazsa. 6510'da bu banktan veriyi alıp VIC bank'a kopyala nasıl olur. Z80 VIC'i hiç tanımasın bilmesin diyorum. Bu şekilde aynı anda bellek erişimi yapmalarında bir sakınca olmaz.

Aklıma gelen dahiyane fikir no:3 Z80'le pek alakası yok gibi ama sistemde iki VIC-II olsa idi. Ve aynı anda biri tek diğeri çift raster satırlarını çizselerdi. O zaman effektif dot clock 7.88 x 2=15.76 olurdu. System clock'da 15.76 / 8 = 1.972 Mhz olabilirdi. (AGP 2x de böyle bir şey olabilir mi acaba )

 

[hades]

Nerde kalmıştık?
Yorumlar güzel, fikirler güzel.
Z80 CP/M kartı şemasına baktım ve benim yaptığım gibi /WAIT girişini kullanıp Z80'i bekletiyor dolayısıyla hız düşüyor. CP/M kartında sadece Z80 interface var ve CP/M rutinleri C64'e yüklenmek zorunda. Haliyle Z80 her türlü memory read/write işlemi için VIC'in izin verdiği ölçüde çalışmak zorunda.
Benim tasarımımda ise Z80 memory işlemlerini C64'ten bağımsız yapacağı için CP/M kartı gibi değil.
Ne gibi avantajı olabilir? Mesela ekranın bir mirrorunu hafızada tutup işlem yaptıktan sonra C64'teki yerine transfer ederiz. Double Buffer gibi bir şey oluyor sanırım. Z80'in hızı burada kendini gösterecektir. Kısaca memorydeki işlemler 4 MHz (Z80B ile 6 MMz) ile yapılırken I/O işlemleri VIC'in izin verdiği hızda yapılacak.

C64'ün şemasına baktığımda, VIC'e 17,734472 MHz'lik ve 7,88 MHz'lik iki işaret geliyor. 7,88/8=0,98 MHz'lik bir işaret çıkıyor. Ve bu işaret 6510 içinden geçerek phi2 olarak çıkıp 6526'lara ve SID'e gidiyor. Ayrıca Programcının El Kitabı'nda yazdığına göre 6526'lar 2 MHz'de çalışabilir yazıyor. SID için herhangi bir frekans bilgisi yok.
Eğer VIC'e gelen 7,88 MHz'lik işareti C64 üzerinde hack yaparak yükseltirsek 6526'ları ve SID'i hızlandırabiliriz. Eğer 7,88 MHz ekran oluşturmak için kullanılıyorsa 6526'lar ve SID için Z80'in Clock işaretini bir frekans bölücüyle 2 MHz yapmak ve C64'e geri göndermek gerekiyor.
Asıl merak ettiğim VIC 17,73 MHz ile ne yaptığı.
Diğer yandan C64'teki 4164 Dramlerin çalışma hızı hiçte yavaş değil. (200ns)
Hatta diyebilirim ki, aslında 6510 VIC'in daha hızlı çalışmasına engel oluyor. (Çok mu iddialı oldu?)
Ne bileyim sanki Z80 + VIC, 6510 + VIC'ten daha hızlı olacak gibi bir his var içimde.

Dahiyane fikir 2 için :  Amacımız zaten 6510'u aradan çıkartıp işlemleri Z80 ile yapmak

[wizofwor]

Asıl merak ettiğim VIC 17,73 MHz ile ne yaptığı.

Tam olarak 17,734475 MHz. 4'e bölüp 4.433618 MHz color clock sinyalini elde ediyor.

Şu adreste detaylı bazı bilgiler var. Color clock'la ilgili kısmı aşağı yapıştırıyorum. (Buradaki frekanslar NTSC için)

The VIC-II used the 14.31818 MHz master clock input (4 times the NTSC color burst frequency of 3.579545 MHz) to produce quadrature square-wave clocks. These clock signals were then integrated into triangle waves using analog integrators. The triangle waves were then integrated again into sine waves (actually rounded triangle waves, but good enough for this application). This produced a 3.579545 MHz sine wave, inverse sine wave, cosine wave and inverse cosine wave.

An analog summer was used to create the phase-shifts in the Chroma signal by adding together the appropiate two waveforms at the appropiate amplitudes. The Color Palette data went to a look-up table that specified the amplitude of the waves by selecting different resistors in the gain path of the summer. The end result was that we could create any hue we wanted by looking at the NTSC color wheel to determine the phase-shift and then picking the appropiate resistor values to produce that phase-shift.

[power]

mos 6526    1megaherz
mos 6526-A  2 megaherz çalışabilir, billiyorsunuz da yinede hatırlatayım dedim